用于配電房電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集的裝置及方法

潘慧猷+吳思暢

摘 要：配電房電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中年其主要構(gòu)成主要包含了測(cè)量與案件、同步單元、采集單元以及后處理單元構(gòu)成。通常情況下的配電房電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集靠的是數(shù)據(jù)采集器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，下面對(duì)數(shù)據(jù)采集器以及基本配置進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)造以及對(duì)模擬量、高速數(shù)據(jù)采集進(jìn)行詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；模擬量；高速數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0144-02

現(xiàn)階段配電房電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得人們對(duì)電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集有了很大關(guān)注。為了控制電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、且在異常狀況下可以對(duì)電力設(shè)備形成保護(hù)需要實(shí)時(shí)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以保證配電房電力系的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 數(shù)據(jù)采集裝置

1.1 數(shù)據(jù)采集器

電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集器是一種未處理控制的智能設(shè)備，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要設(shè)備之一。其主要功能是在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可以對(duì)電力設(shè)備采集很多電脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)且記錄保存。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集器經(jīng)過(guò)電纜或者是電力線載波與集中器進(jìn)行通信。它通過(guò)受到集中器發(fā)的各種指令，并向集中器輸送所記錄的用戶表計(jì)數(shù)據(jù)以及形態(tài)。數(shù)據(jù)采集器可以經(jīng)過(guò)紅外通訊接口在配電房中和手抄器進(jìn)行通信，也可以收到手抄器發(fā)出的指令，傳送數(shù)據(jù)器所記錄的所有數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)采集器使用的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，它使用的是時(shí)鐘芯片，可以對(duì)閏年進(jìn)行校正，也能對(duì)千年蟲(chóng)問(wèn)題以及小于三十一天的月份進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這種裝置可以確保數(shù)據(jù)采集器在斷電的情況下實(shí)時(shí)鐘可以運(yùn)行十年左右，數(shù)據(jù)也可以保存四十年左右。數(shù)據(jù)采集器另外還具備付費(fèi)率的功用，每天可設(shè)定二十四個(gè)時(shí)段，對(duì)不同時(shí)間段的費(fèi)率進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

1.2 數(shù)據(jù)采集器的配置特征

①裝備有RS232、RS485串口，可以與多個(gè)檢測(cè)儀器相連，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集；②數(shù)據(jù)采集器配有USB接口，便于數(shù)據(jù)的傳輸；③配有RJ45接口，可以連接網(wǎng)絡(luò)；④配有VGA視頻輸出以及音頻輸出接口，保證視頻、音頻的接入；⑤內(nèi)部配置WIFI模塊，可連接無(wú)線網(wǎng)，便于現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)；⑥儲(chǔ)存空間可達(dá)到32G；⑦配有大尺寸的觸摸屏，便于操作；⑧操作人員或用戶可經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口直接獲取數(shù)據(jù)，便于二次開(kāi)發(fā)。⑨可以進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量，即時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，也可以在網(wǎng)上進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)；⑩電源可以連續(xù)工作六小時(shí)，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)十天。

在配電房對(duì)電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集是為了保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行，使用數(shù)據(jù)采集器相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法來(lái)說(shuō)有很大優(yōu)勢(shì)，可以減輕工作人員處理數(shù)據(jù)繁雜的工作，也可以從實(shí)際操作中及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備問(wèn)題，保證其穩(wěn)定運(yùn)行，避免不必要的損失。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體構(gòu)架

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含了四個(gè)部分，即測(cè)量元件、同步單元、采集單元以及后處理單元。測(cè)量元件指的是與一次回路相連的高電壓設(shè)備，其他四個(gè)單元都是低電壓的微電子電路。測(cè)量元件主要是由測(cè)量電壓的分壓器以及測(cè)量電流的霍爾電流傳感器兩部分構(gòu)成。這兩個(gè)器件將回路中的高電壓、大電流的信號(hào)轉(zhuǎn)變傳送為相同大小的小模擬信號(hào)，并將其傳遞到采集單位。同步單元是在交流電網(wǎng)的正弦電壓所形成的同步信號(hào)。采集單元以及后處理單元使用同步信號(hào)保持二者的同步性。同步信號(hào)可以精確的伴隨電網(wǎng)頻率的動(dòng)作，且確保是電網(wǎng)頻率的整數(shù)倍。依據(jù)需求，同步信號(hào)的倍率可以是32倍、64倍，最大到512倍。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采集單元會(huì)對(duì)各測(cè)量元件輸出的小模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)整以及轉(zhuǎn)換模數(shù)，然后經(jīng)過(guò)光纖以編碼的方式發(fā)送到后處理。而此時(shí)，后處理可以對(duì)霍爾電流傳感器等測(cè)量元件供給電源。后處理在收到采集單元的數(shù)字信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波、微調(diào)以及匯總等工序，然后使用高速并行或串行的中線將其發(fā)送至其他自動(dòng)控制的過(guò)程中。

3 模擬量的采集與轉(zhuǎn)換

模擬量小信號(hào)是通過(guò)同步、采集以及后處理這三個(gè)方面來(lái)共同完成采集的。同步單元經(jīng)過(guò)電壓互感器引入交流電網(wǎng)中的AB、BC、CA這三路電壓信號(hào)，然后對(duì)這三路信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)整以及鎖相倍頻，從而形成三路比較獨(dú)立的倍頻信號(hào)，然后路由邏輯選擇同步倍頻電路來(lái)對(duì)電網(wǎng)的頻率進(jìn)行跟蹤處理，從而產(chǎn)生電網(wǎng)頻率整倍數(shù)的方波信號(hào)，需要注意的是，此時(shí)的占空比是可以調(diào)節(jié)的。通常情況下，路由口邏輯選擇的是AB線路電壓產(chǎn)生的倍頻信號(hào)來(lái)作為同步信號(hào)。若是此倍頻信號(hào)在丟失一段時(shí)間可以將其依次轉(zhuǎn)換為BC、CA線路電圧產(chǎn)生的倍頻信號(hào)。同步信號(hào)路由邏輯選擇后，不會(huì)返回到原來(lái)使用的線路中。

模擬量的采集時(shí)，采集單元有很多個(gè)數(shù)據(jù)采集渠道，分別對(duì)應(yīng)電力設(shè)備中各個(gè)被測(cè)的電氣量。后處理單元可用于收集采集渠道中的數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行濾波、消偏置等數(shù)字處理，然后對(duì)這些書籍進(jìn)行匯集，經(jīng)過(guò)高速并行或串行總線將其發(fā)送到其他方面。采集與后處理經(jīng)同步信號(hào)保持同步，采集在同步信號(hào)方波的上升沿出進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。通常狀況下，數(shù)據(jù)采集的通道都會(huì)有延遲，后處理單元不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)立即處理，而是與同步信號(hào)方波的下降沿進(jìn)行濾波、消偏置等后處理工作。

4 數(shù)據(jù)采集裝值電磁兼容性處理

4.1 電纜的電磁性兼容處理

測(cè)量元件與采集單元在一次回路旁，一次回路中的高電壓、大電流會(huì)對(duì)其進(jìn)行電磁干擾。通過(guò)對(duì)電纜以及采集單元的電磁性兼容處理，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，測(cè)量元件傳送出的信號(hào)要經(jīng)過(guò)電纜傳遞到采集單元，電纜使用的同軸電纜或者是屏蔽式的多芯雙絞電纜，電纜外部要裝有高導(dǎo)磁的金屬管，電纜屏蔽層以及金屬導(dǎo)管要單點(diǎn)接地。

4.2 采集單元電磁性兼容處理

采集單元是由印刷電路板組成，主要是高電位通道以及低電位屏柜這兩個(gè)方面構(gòu)成。經(jīng)過(guò)有效的屏蔽以及電路板電磁兼容設(shè)計(jì)，來(lái)確保采集單元可以在電磁的干擾下運(yùn)行良好。高電位通道以及低電位屏柜都使用的是高導(dǎo)磁的鐵板作為屏蔽殼吸收低頻磁場(chǎng)干擾。屏蔽殼內(nèi)裝有鍍銀的薄銅板，為的是屏蔽電場(chǎng)以及高頻磁場(chǎng)的干擾。而印刷電路板一定要嚴(yán)格按照電磁兼容來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：endprint

①模擬電路的電源、地以及數(shù)字電路的電源、地應(yīng)分開(kāi)，通過(guò)磁珠連接于一點(diǎn)；②模擬電路、數(shù)字電路、各元件布局應(yīng)有一定距離；③印刷電路板中的高頻信號(hào)應(yīng)有最短回流途徑；④強(qiáng)電與弱電電路應(yīng)有相應(yīng)的隔離手段；⑤模擬信號(hào)的輸入端應(yīng)有電壓抑制以及濾波手段；⑥印刷電路板中的電路距離與邊界要有一定距離；⑦并行走線距離要合理；⑧集成芯片附近藥妝去耦電容。

5 高速數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)的采集主主要是通過(guò)高速AD轉(zhuǎn)換電路、以及高速AD轉(zhuǎn)換控制接口等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

5.1 高速AD轉(zhuǎn)換電路

高速AD轉(zhuǎn)換電路使用的是14為雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其集成了兩個(gè)具有良好性能的采樣保持器以及基準(zhǔn)電壓源，使用的是多級(jí)差的分流水線來(lái)構(gòu)建的，內(nèi)有輸出糾錯(cuò)邏輯采樣頻率一般使用的是20到65MSPS。此芯片的供電電壓為3伏，耗能比較低。此芯片的兩個(gè)通道共用電壓源，其他方面都是相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的通道間的隔離達(dá)到了80dB，所以，此芯片與單通道AD轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能基本相同，而且還有更好的抗串以及抗擾性。

5.2 高速AD轉(zhuǎn)換控制接口電路

高速AD轉(zhuǎn)換電路所使用芯片的采樣頻率比較高，若是信號(hào)處理器讀取此采樣數(shù)據(jù)，會(huì)影響工作效率。所以，要在高速AD轉(zhuǎn)換電路與信號(hào)處理器件建高速AD轉(zhuǎn)換控制接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以確保數(shù)據(jù)采集的精確。高速AD轉(zhuǎn)換控制接口有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道以及采樣控制模塊，量數(shù)據(jù)通到底應(yīng)采樣控制模塊通道A、B進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

6 結(jié)語(yǔ)

從電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置也就是數(shù)據(jù)采集器的相關(guān)內(nèi)容的韓明，然后通過(guò)對(duì)電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)架、模擬量信號(hào)采集與高速數(shù)據(jù)采集進(jìn)行分析，了解數(shù)據(jù)采集裝置怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，保證配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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